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捷联惯导系统

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车载捷联惯导系统基本原理

车载捷联惯导系统基本原理

车载捷联惯导系统基本原理一、捷联惯导系统基本原理捷联惯导系统基本原理如图2-1所示：图中陀螺和加速度计直接与载体系b固联，用来测量载体的角运动信息和线运动信息。

导航解算的本质是根据初值进行积分的过程，通过求解姿态微分方程完成对姿态和航向角的积分，通过求解比力微分方程完成对速度的积分，通过求解位置微分方程实现对位置的积分。

捷联惯导的姿态矩阵C n 相当于“数学平台”，取代了平台惯导中的实体平台，而ωˆ相当于对数学平台“施矩”的指令角速率。

二、捷联惯导微分方程（一）姿态微分方程在捷联惯导系统中，导航坐标系n 和载体坐标系b 之间的角位置关系通常用姿态矩阵、四元数和欧拉角表示，相应也存在姿态矩阵微分方程、四元数微分方程和欧拉角微分方程三种形式。

姿态矩阵微分方程的表达式为：在欧拉角微分方程式(2.2-7)中，当俯仰角θ趋于90º时，cosθ趋于0，tanθ趋于无穷，方程存在奇异性，所以这种方法不能在全姿态范围内正常工作；姿态矩阵微分方程式(2.2-1)可全姿态工作，但姿态矩阵更新相当于求解包含9个未知量的线性微分方程组，计算量大；四元数微分方程式(2.2-6)同样可以全姿态工作，且更新算法只需求解4个未知量的线性微分方程组，计算量小，算法简单，是较实用的工程算法。

（二）速度微分方程速度微分方程即比力方程，是惯性导航解算的基本关系式：三、捷联惯性导航算法捷联惯导解算的目的是根据惯性器件输出求解载体姿态、速度和位置等导航信息，实际上就是求解三个微分方程的过程，相应存在姿态更新算法、速度更新算法和位置更新算法。

（一）姿态更新算法求解微分方程式(2.2-6)可得四元数姿态更新算法为：在车辆行驶过程中，一般不存在高频大机动环境，并且车载导航系统往往不工作在纯惯性导航方式，而是利用里程仪或零速条件进行组合导航，所以算法误差的影响有限，常用的5ms采样周期和二子样优化算法即可满足要求。

四、捷联惯导误差模型传感器误差、初值误差和算法误差是SINS的主要误差源，其中器件误差和初值误差又是影响导航结果的主要因素。

捷联惯导与组合导航系统高精度初始对准技术研究

捷联惯导与组合导航系统高精度初始对准技术研究

捷联惯导与组合导航系统高精度初始对准技术研究捷联惯导与组合导航系统高精度初始对准技术研究引言捷联惯导与组合导航系统是一种集捷联惯导和其他导航传感器（如GPS、气压计、陀螺仪等）的优势于一体的导航系统，具有在惯导滞后情况下实现导航信息快速、准确更新的优势。

为了确保导航精度和可靠性，捷联惯导与组合导航系统的初始对准是不可或缺的关键技术之一。

本文将重点探讨捷联惯导与组合导航系统高精度初始对准技术的研究。

一、捷联惯导与组合导航系统概述捷联惯导与组合导航系统是一种通过融合多种导航传感器测量数据来计算导航解的导航系统。

其中，捷联惯导通过惯性导航算法利用加速度计和陀螺仪提供的姿态、速度和位移信息进行导航计算，而组合导航则通过融合GPS和其它传感器的信息来修正惯导的误差，提供更准确的导航结果。

二、初始对准技术的研究现状初始对准技术在捷联惯导与组合导航系统中起到了决定性的作用，对其精度和可靠性具有重大影响。

目前，针对初始对准技术的研究主要集中在以下几个方面：1. 惯性传感器标定：惯导系统的精度和准确性直接依赖于惯性传感器的性能。

因此，对于惯导系统而言，惯性传感器的标定至关重要。

传感器标定主要涉及惯性传感器的误差估计、参数校准和标定方法等。

2. 导航状态估计算法：捷联惯导与组合导航系统的核心是导航状态估计算法。

目前常用的算法包括扩展卡尔曼滤波（EKF）、无迹卡尔曼滤波（UKF）以及粒子滤波（PF）等。

这些算法通过融合多种传感器的信息，实现对导航状态的准确估计。

3. 高精度传感器融合：为了提高初始对准的精度和可靠性，可以考虑使用更高精度的传感器，如高精度的加速度计和陀螺仪。

此外，对于GPS系统而言，使用双频技术和高精度的差分GPS技术可以进一步提高导航精度。

三、捷联惯导与组合导航系统高精度初始对准技术研究在捷联惯导与组合导航系统高精度初始对准技术的研究中，可以采用以下方法来提高初始对准的精度和可靠性：1. 多目标标定方法：采用多目标标定方法来标定捷联惯导系统中的惯性传感器。

导航原理_捷联式导航汇总

导航原理_捷联式导航汇总
sin
sin cos G cos sin sin G
sin
sin
G
cos
sin
cos
G
cos cos
根据式捷联矩阵的元素，可以确定 G、、 的主值。
主
sin1 T32
主
tan 1
T31 T33
G主
tan 1
T12 T22
求出主值后，可用如下公式求出 G、、 的真值：
gb Ctb gt
b ie
Ctbite
b Ctb t
（6.6-1）
根据以上三个向量等式可以写出9个方程，可
以求出Ctb
的9个元素。其中
gb
、
b ie
分别由加速
度计和陀螺仪测量得到，而 gt、ite、 t、 b均可通
过计算得到。
具体计算过程
将式(6.6-1)两边转置，可以得到如下公式：
( gb )T ( gt )T Cbt
b x
ibey
g
b x
b iex
g
b y
同理
t
gt
t ie
0 g 0 0
g
0
0
ie
cos
L
0 0 0 ie sin L
gie cos L
0
0
根据 ，可以写出 b )T ( t )T Cbt
ibez
g
b y
b iey
g
b z
g b b iex z
b iez
g
b x
g b b iey x
经过解析式初对准，实际上我们得到的矩阵是 Cbtˆ
坐标系 tˆ 与理想的坐标系 t 存在着小的误差

捷联惯导结算原理

捷联惯导结算原理

0 cos sin ， Rz sin 0 cos
sin cos 0
0 0 1
cos cos sin sin sin cos cos sin sin cos sin cos T11 T12 T13 Ry Rx Rz cos sin cos cos sin T21 T22 T23 sin cos cos sin sin sin sin cos sin cos cos cos T T T 31 32 33 b 由姿态矩阵 C n 反解飞行器姿态欧拉角：
（5） 速度的计算
t t t t t 0 2iez etz ety 2iey Vxt Vx 0 t t b t t t t 0 2iex etx Vyt 0 Vy Cb f 2iez etz t Vz g Vzt 2 t t 2 t t 0 iey ety iex etx
o o sin 1 T23 , 90 , 90
tg 1
T13 180o , 180o , T33
tg 1
T21 o o , 180 , 180 T 22
图 6 东向北向速度变化曲线
阶段总结：1.学习了平台式和捷联式惯导的惯导解算方法并进行了仿真计算。 2.平台式惯导物理平台时刻跟踪当地水平东北天地理系， 加速计的比 力信息直接投影在导航系中，可直接进行导航速度和位置解算。载体的姿态可直 接从平台框架直接得出；而捷联式惯导用数学平台取代实体的物理平台，通过求

捷联惯性导航原理概要

捷联惯性导航原理概要

捷联惯性导航原理概要捷联惯性导航（Inertial Navigation System，简称INS）是一种基于惯性力学原理运行的导航系统，用于测量和跟踪物体的位置、速度和加速度。

它通过内部的陀螺仪和加速度计来测量物体在空间中的运动状态，并根据质量、力和运动的基本原理来计算物体的位置和速度。

通过将陀螺仪和加速度计的输出信号转换为数字信号，并通过计算机处理，可以获得物体相对于初始参考点的位置和速度。

这些数据可以通过与地图或导航系统的集成来确定物体的位置和方向。

捷联惯性导航系统的原理是基于牛顿运动定律和旋转不变性原理。

根据牛顿第一定律，当物体处于惯性坐标系中且不受任何力的作用时，它将保持静止或匀速直线运动。

根据牛顿第二定律，当物体受到外力作用时，它将产生加速度。

根据旋转不变性原理，即物理量在不同坐标系下具有相同的数值，陀螺仪和加速度计可以测量物体的角速度和加速度，从而得到物体的位置和速度。

捷联惯性导航系统具有高精度和高稳定性的优势，尤其适用于无法使用其他导航系统（如GPS）或需要高精度导航的环境。

然而，它也存在一些局限性。

首先，由于陀螺仪和加速度计的测量误差和漂移，容易导致导航误差的累积。

其次，捷联惯性导航系统无法提供绝对位置信息，需要与其他导航系统集成才能获得绝对位置。

为了提高捷联惯性导航系统的性能，可以采用多传感器融合技术。

通过将多种导航系统（例如GPS、地图、惯性导航）的输出数据进行融合，可以提高导航的精度和可靠性，同时减少漂移和误差的影响。

总之，捷联惯性导航系统是一种基于惯性力学原理运行的导航系统，利用陀螺仪和加速度计测量物体的运动状态，并根据质量、力和运动的基本原理计算物体的位置和速度。

它具有高精度和高稳定性的优势，但也存在一些局限性，需要与其他导航系统集成才能获得绝对位置信息。

通过多传感器融合技术的应用，可以进一步提高捷联惯性导航系统的性能。

第2讲：捷联惯导系统(1-2)时间序列建模

第2讲：捷联惯导系统(1-2)时间序列建模

3．随机漂移误差的时间序列分析建模 在惯性导航系统中，为了减小陀螺随机误差对系统精度的影响，有效可行的办法是采用滤波技术对随机误差进行实时补偿。

实时补偿的前提是已知随机误差的模型，为此，需要事先对陀螺的随机噪声进行必要的数学处理，建立适合于在线补偿的数学模型。

陀螺的随机噪声一般是有色噪声，即非平稳的随机过程，处理这类随机过程较成熟的建模方法是时间序列分析法。

该方法是针对一组离散随机数据序列，进行时域和频域内的统计特性分析，求出实际物理系统的统计特性，并将随机数据浓缩成一个简单的随机差分模型。

时间序列分析建模流程图3.1 序列的检验随机数据处理分析的结果是否正确，取决于数据的一些基本特性。

其主要的三个基本特性是：平稳性；周期性；正态性。

对这三个基本特性进行检验，是分析、建立光学陀螺随机误差模型的重要前提。

1．平稳性检验主要目的是检验陀螺随机误差时间序列是否具有不随时间原点的推移而变化的统计特性。

如果陀螺随机误差时间序列是平稳的，再加上假设为各态历经的，则对陀螺随机误差的研究，就可以用单个样本记录的时间序列来代替总体平均。

这就给数据处理带来了极大的方便。

如果不平稳，则需要对数据进行平稳化处理。

造成随机过程不平稳的原因，是随机过程中包含有随时间缓慢变化的趋势项。

检验这种非平稳趋势项的一种很有效的方法是逆序法。

（1）逆序法对于测试数据记录，将其分成n y y y ,,,21L M 段，然后求各段的均值（或方差值），得到一个大致不相关的均值（或方差值）序列M x x x ,,,21L对于下标为的，每当出现i i x i j x x >)1,,2,1,(−=>M i i j L时就定义为的一个逆序，与相应的逆序的个数称为的逆序数。

序列i x i x i A i x 121,,,−M x x x L 的逆序总数定义为∑−==11M i i A A以随机整数序列出现的的均值与方差分别为A [][]()41211111−===∑∑−=−=M M i A E A E M i M i i []()725322−+=M M M A Var 统计量 [][]A Var A E A u ⎟⎠⎞⎜⎝⎛−+=21 渐近服从正态分布)1,0(N 。

捷联式惯导系统初始对准方法研究

捷联式惯导系统初始对准方法研究一、本文概述随着导航技术的不断发展，捷联式惯导系统（StrapdownInertial Navigation System, SINS）已成为现代导航领域的重要分支。

由于其具有自主性强、隐蔽性好、不受外界电磁干扰等优点，被广泛应用于军事、航空、航天、航海等领域。

然而，捷联式惯导系统的初始对准问题是其实际应用中的一大难题。

初始对准精度的高低直接影响到系统的导航精度和稳定性。

因此，研究捷联式惯导系统的初始对准方法具有重要意义。

本文旨在深入研究和探讨捷联式惯导系统的初始对准方法。

对捷联式惯导系统的基本原理和组成进行简要介绍，为后续研究奠定基础。

对初始对准的定义、目的和重要性进行阐述，明确研究的重要性和方向。

接着，重点分析现有初始对准方法的优缺点，包括传统的静基座对准、动基座对准以及近年来兴起的智能对准方法等。

在此基础上，提出一种新型的初始对准方法，并对其进行详细的理论分析和仿真验证。

通过实验验证所提方法的有效性和优越性，为捷联式惯导系统的实际应用提供有力支持。

本文的研究内容对于提高捷联式惯导系统的初始对准精度、增强其导航性能和稳定性具有重要意义。

所提出的新型初始对准方法有望为相关领域的研究提供新的思路和方向。

二、捷联式惯导系统初始对准理论基础捷联式惯导系统（Strapdown Inertial Navigation System，SINS）的初始对准是其正常工作的前提，对于提高导航精度和长期稳定性具有重要意义。

初始对准的主要目的是确定惯导系统载体在导航坐标系中的初始姿态，以便为后续的导航计算提供准确的基准。

捷联式惯导系统的初始对准过程涉及多个理论基础知识，包括载体运动学、动力学模型、误差分析以及滤波算法等。

载体运动学模型描述了载体在三维空间中的姿态、速度和位置变化，是初始对准过程中姿态解算的基础。

动力学模型则用于描述载体在受到外力作用下的动态行为，为误差分析提供了依据。

在初始对准过程中，误差分析是至关重要的。

捷联惯导与组合导航技术


• 在实际应用时，可根据式由k-1时刻的四元 数q(k-1)递推出t时刻的四元数q(k)的，递推 关系如下：
Hale Waihona Puke • 式中• T为捷联矩阵的即时解算周期
• 在即时解算捷联矩阵之前先要计算出
•
为车体坐标系相对于惯性坐标系的转动角速度在车体坐标系中的 矢量，即捷联式陀螺仪的测量输出 • 为地球坐标系相对于惯性坐标系的转动角速度在指北导航坐标系 中的矢量，其表达式为 ，L为自主车辆所在地 的纬度 • 为指北导航坐标系相对地球坐标系的转动角速度在指北导航坐标 系上的矢量，其表达式为 • h为自主车辆所在位置的高度；分别为车辆的东向和北向速度， 为所 在地参考椭球子午线曲率半径， 为所在地与子午线垂直的法线平面 上的曲率半径。
我们研究的组合导航
• SlNS／DGPS／视觉／数字地图组合导航 技术 • GPS与SINS形成的位置与姿态观测信息， 机器视觉／数字地图／SINS形成的横向偏 信息
• 3.平台惯性导航系统的陀螺仪安装在平台上， 可以相对重力加速度和地球自转角速度任意 定向来进行测试，便于误差标定。而捷联陀 螺仪不具备这个条件，因为装机标定比较困 难，从而要求捷联陀螺有更高的参数稳定性。
• 1.2 捷联式惯导的姿态解算方法
• 关于姿态解算最为常用的方法有欧拉角法、 四元数法、等效旋转矢量法、罗德里格参 数法、方向余弦矩阵法。从本质上看，罗 德里格参数法和四元数法是一种方法，欧 拉角法和方向余弦矩阵是一种方法。所以， 本质上解算姿态的方法就3种：方向余弦矩 阵、等效旋转矢量、四元数。
• 对上式实时提取姿态角
2
组合导航
• 组合导航的出现，至少有3方面因素： • 1）单一的导航系统的在一定的时间段内是 有上限的； • 2）单一导航系统的精度的提高必然伴随着 成本的增大； • 3）多种信息的有机融合比单一信息的简单 汇总更具实用价值

捷联惯导系统的算法研究及其仿真实现(捷联惯导系统的发展趋势 初始对准技术的发展与研究现状)

捷联惯导系统的算法研究及其仿真实现Study and Simulation of Strapdown Inertial Navigation System1.1.3捷联惯导系统的发展趋势捷联式惯导系统是从20世纪60年代初开始发展起来的。

20世纪70年代以来，作为捷联系统的核心部件—惯性测量装置和计算机技术有了很大发展，而电子技术、计算机技术、现代控制理论的不断进步，为捷联惯性技术的发展创造了有利条件。

在硬件方面，新一代惯性器件如激光陀螺、光纤陀螺的成功研制，为捷联惯导的飞速发展打下了物质基础。

进入20世纪80-90年代，在航天飞机、宇宙飞船、卫星等民用领域及各种战略、战术导弹、军用飞机、反潜武器、作战舰艇等军事领域开始采用动力调谐式陀螺、激光陀螺和光纤式陀螺的捷联惯导系统。

其中激光陀螺和光纤式陀螺是捷联惯导系统的理想器件。

激光陀螺具有角速率动态范围宽、对加速度和震动不敏感、不需温控、启动时间特别短和可靠性高等优点。

激光陀螺惯导系统己在波音757/767、A310民机以及F-20战斗机上试用，精度达到 1.85km/h 的量级。

20世纪90年代，激光陀螺惯导系统估计占到全部惯导系统的一半以上，其价格与普通惯导系统差不多，但由于增加了平均故障间隔时间，其寿命期费用只有普通惯导系统的15%-20%。

光纤陀螺实际上是激光陀螺中的一种，其原理与环型激光陀螺相同，它克服了由激光陀螺闭锁带来的负效应，具有检测灵敏度和分辨率极高、启动时间极短、动态范围极宽、结构简单、零部件少体积小、造价低、可靠性高等优点。

采用光纤陀螺的捷联航姿系统已用于战斗机的机载武器系统及波音777飞机中。

波音777由于采用了光纤陀螺的捷联惯导系统，其平均故障间隔时间可高达20000h。

采用光纤陀螺的捷联惯导系统被认为是一种极有发展前途的导航系统。

而随着航空航天技术的发展及新型惯性器件关键技术的陆续突破，捷联惯导系统的可靠性、精度将会更高。

捷联式


技术关键与难点：
• 捷联式系统直接敏感载体的角运动，因此对陀螺 仪的要求比平台式惯导要高得多。 • 对陀螺仪和加速度计进行实时、准确地误差补偿。 要建立静态、动态漂移的数学模型。建立准确的 漂移误差模型实现误差的实时补偿是保证系统精 度的关键 • 捷联系统要求捷联矩阵的更新算法简单快捷精度 高。 • 捷联系统的初始对准是捷联系统又一重大的技术 关键。 确定惯性敏感器的输入 轴与惯性系统采用的坐 标系的关系的过程
缺点
• 惯性仪表固连在载体上，直接承受载体的震动和 冲击，工作环境恶劣； • 惯性仪表特别是陀螺仪直接测量载体的角运动， 高性能歼击机角速度可达400°/ s，这样陀螺的测 量范围是0.01-400°/s，如果采用机械捷联惯导系 统，这就要求捷联陀螺有大的施矩速度和高性能 的再平衡回路； • 系统标定比较困难，从而要求捷联陀螺有更高的 参数稳定性。 平台式系统的陀螺仪安装在平 台上，可以用相对于重力加速 度和地球自转加速度的任意定 向来进行测试，便于误差标定； 而捷联陀螺则不具备这个条件
发展
• 美国等西方发达国家的光纤陀螺捷联技术已处于 实际应用阶段，并向高精度和高可靠性方向发展。 目前国内的光纤陀螺的研制水平和国外相比还有 较大的差距。同时，国产的惯导系统在可靠性、 可维修性、精度等方面与国外相比也有很大的差 距，光纤陀螺捷联系统在舰船上的应用还处于起 步阶段，国内尚未见到有光纤陀螺捷联系统在舰 船上的应用报导。
优点
• 体积小，重量轻，结构紧凑， 功耗低，成本减少，通常 陀螺仪和加速度计只占导航平台的1/7； • 惯性仪表便于安装维护，便于更换。陀螺仪、加速度计、 电路和计算机都是标准的模块，很容易维修和更换。 • 简化了总体的加工装配调试，利于提高批量生产的能力； • 提供更多的导航和制导信息。惯性仪表可以给出轴向的线 加速度和角速度，这些信息是控制系统所需要的； • 可靠性提高，惯性仪表便于采用余度配置，简化了结构和 电路，元器件大大减少，从而使可靠性成倍提高。 • 捷联系统导航参数的输出都是由计算机直接计算出来的数 字信号，有利于传输和计算机网络系统接口
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（3）无框架锁定系统，允许全方位（全姿态）工作。
（4）除能提供平台式系统所能提供的所有参数外，还可以提供沿弹 体三个轴的速度和加速度信息。
缺点：

但是，由于在捷联惯导系统中，惯性元件与载体直接固连， 其工作环境恶劣，对惯性元件及机（弹）载计算机等部件也 提出了较高的要求。


（1）要求加速度表在宽动态范围内具有高性能、高可靠性， 且能数字输出。
1.4捷联惯导系统的精度

惯性导航和制导系统对陀螺仪和加速度计的精度要求极高， 如加速度计分辨率通常为0.0001g～0.00001g，陀螺随机漂 移率为0.01°/小时甚至更低，并且要求其有大的测量范围， 如军用飞机所要求的测速范围应达10的9次方（0.01°/小 时～400°/秒）。因此，陀螺仪和加速度计属于精密仪表范 畴。

“数学解析平台”的原理简图
捷联惯导优点：

捷联惯导系统和平台式惯导系统一样，能精确提供载体的姿态、地 速、经纬度等导航参数。但平台式惯导系统结构较复杂、可靠性较 低、故障间隔时间较短、造价较高，为可靠起见，通常在一个运载 体上要配用两套惯导装臵，这就增加了维修和购臵费用。在捷联惯 导系统中，由于计算机中存储的方向余弦解析参考系取代了平台系 统以物理形式实现的参考系，因此，捷联惯导系统有以下独特优点。 （1）去掉了复杂的平台机械系统，系统结构极为简单，减小了系统 的体积和重量，同时降低了成本，简化了维修，提高了可靠性。 （2）无常用的机械平台，缩短了整个系统的启动准备时间，也消除 了与平台系统有关的误差。


为测量基准，它不再采用机电平台，惯性平台的功能由计算 机完成，即在计算机内建立一个数学平台取代机电平台的功 能，其飞行器姿态数据通过计算机计算得到，故有时也称其 为"数学平台"，这是捷联惯导系统区别于平台式惯导系统的 根本点。由于惯性元器件有固定漂移率，会造成导航误差， 因此，远程导弹、飞机等武器平台通常采用指令、GPS或其 组合等方式对惯导进行定时修正，以获取持续准确的位臵参 数。如采用指令+捷联式惯导、GPS+惯导（GPS/INS）。美国 的战斧巡航导弹采用了GPS+INS +地形匹配组合导航。
工作原理

惯导系统基本工作原理是以牛顿力学定律为基础，通过测量 载体在惯性参考系的加速度，将它对时间进行积分，之后将 其变换到导航坐标系，得到在导航坐标系中的速度、偏航角 和位臵信息等。对捷联惯导系统而言，平台的作用和概念体 现在计算机中，它是写在计算机中的方向余弦阵。直接安装 在载体上的惯性元件测得相对惯性空间的加速度和角加速度 是沿载体轴的分量，将这些分量经过一个坐标转换方向余弦 阵，可以转换到要求的计算机坐标系内的分量。如果这个矩 阵可以描述载体和地理坐标系之间的关系，那么载体坐标系 测得的相对惯性空间的加速度和角速度，经过转换后便可得 到沿地理坐标系的加速度和角速度分量，有了已知方位的加 速度和角速度分量之后，导航计算机便可根据相应的力学方 程解出要求的导航和姿态参数来。
1.1 捷联惯导系统工作原理及特点

惯导系统主要分为平台式惯导系统和捷联式惯导系统两大类。 惯导系统（INS）是一种不依赖于任何外部信息、也不向外部 辐射能量的自主式导航系统，具有隐蔽性好，可在空中、地 面、水下等各种复杂环境下工作的特点。 捷联惯导系统（SINS）是在平台式惯导系统基础上发展而来 的，它是一种无框架系统，由三个速率陀螺、三个线加速度 计和微型计算机组成。平台式惯导系统和捷联式惯导系统的 主要区别是：前者有实体的物理平台，陀螺和加速度计臵于 陀螺稳定的平台上，该平台跟踪导航坐标系，以实现速度和 位臵解算，姿态数据直接取自于平台的环架；后者的陀螺和 加速度计直接固连在载体上作



1.5简单介绍使用新型陀螺仪的捷联导航 系统
1

用静电陀螺仪的捷联式系统
静电陀螺仪利用电极对球形转子的静电吸力，以及自动调节电极 电压的方法，使球形转子支承在电极中心；并采用光电测量方法 测出壳体相对转子极轴的转角。它消除了框架陀螺和挠性陀螺由 于机械联接所引起的干扰力矩，也避免了液浮陀螺由于液体扰动 所引起的干扰力矩，因此是一种高精度陀螺仪。但由于其工艺复 杂，因而成本较高。 静电陀螺仪原理是50年代初提出的，直到70 年代末才进入实用。经过逐步改进，静电陀螺仪精度已高达 0.0001°/小时。它特别适合于高精度惯导系统应用，曾被用于B52远程战略轰炸机和F-117A隐身战斗轰炸机，用它构成的静电陀 螺监控器现在是核潜艇惯导系统的主要组成部分。
2

用环形激光陀螺仪的捷联式惯导系统
1963年，美国首先向世界公布了激光陀螺概念；但直到1981年， 激光陀螺才首次被用于当时新生产的波音747飞机惯导系统中；接 着于1983年开始批量生产，其间经历了长达20年的研制周期。激 光陀螺长期不能进入实用的主要原因在于材料和加工工艺上的困 难。激光陀螺仪是以激光作为工质，以近代物理学中的萨格奈克 效应作为理论基础作成的一种感测角速度的装臵。它不使用机械 转子，而是使用沿闭合光路运行的正、反两个激光光束间的谐振 频率差，以此测定相对惯性空间的转速和转角。激光陀螺由于没 有高速旋转的活动件，因而也被称为固态陀螺仪。激光陀螺具有 机械陀螺无法比拟的优点，是捷联惯性系统理想的元件。自80年 代中期至今，在覆盖军用机和民用机的绝大部分飞机捷联惯性系 统中，激光陀螺已处于统治地位。

不管惯性器件的精度多高，由于陀螺漂移和加速度计的误差 随时间逐渐积累（这也是纯惯导系统的主要误差源之一，它 对位臵误差增长的影响是时间的三次方函数），惯导系统长 时间运行必将导致客观的积累误差，因此，目前人们在不断 探索提高自主式惯导系统的精度外，还在寻求引入外部信息， 形成组合式导航系统，这是弥补惯导系统不足的一个重要措 施。

惯性导航系统是利用惯性敏感器、基准方向及最初的位臵信 息来确定运载体的方位、位臵和速度的自主式航位推算导航 系统。在工作时不依赖外界信息，也不向外界辐射能量，不 易受到干扰破坏。它完全是依靠载体自身设备独立自主地进 行导航，它与外界不发生任何光、声、磁、电的联系，从而 实现了与外界条件隔绝的假想的“封闭”空间内实现精确导 航。所以它具有隐蔽性好，工作不受气象条件和人为的外界 干扰等一系列的优点，这些优点使得惯性导航在航天、航空、 航海和测量上都得到了广泛的运用

捷联式惯性导航(strap-down inertial navigation) ，捷联 （strap-down）的英语原义是“捆绑”的意思。因此捷联式 惯性导航也就是将惯性测量元件（陀螺仪和加速度计）直接 装在飞行器、舰艇、导弹等需要诸如姿态、速度、航向等导 航信息的主体上，用计算机把测量信号变换为导航参数的一 种导航技术。现代电子计算机技术的迅速发展为捷联式惯性 导航系统创造了条件。
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用光纤陀螺仪的捷联式惯导系统
1975年，美国率先在世界上提出了光纤陀螺的设想。至90年代中 期，光纤陀螺开始走向实用，最初用于战术导弹制导及飞机航姿 系统中。光纤陀螺是采用光纤作为光路、并基于萨格奈克效应的 一种新型光学陀螺。当陀螺相对惯性空间旋转时，由相位测量电 路提供输出。这种陀螺通常被称为干涉型光纤陀螺，并由发光二 极管、波束分离器、光纤以及相位探测器等部分组成。光纤陀螺 没有困扰激光陀螺的闭锁问题；与激光陀螺一样，同样没有活动 部件；并且具有很宽的动 态范围及低的制造成本。受到光纤技术 商业开发推动的光纤陀螺性能将很快地满足甚至超过激光陀螺， 1998年，达到惯性级的光纤陀螺已被研制出来。


随着航空航天技术的发展及新型惯性器件的关键技术的陆续 突破进而被大量应用，捷联惯导系统的可靠性、精度将会更 高，成本将更低，同时，随着机（弹）载计算机容量和处理 速度的提高，许多惯性器件的误差技术也可走向实用，它可 进一步提高捷联惯导系统的精度。此外，随着以绕飞行体轴 旋转角增量为输出的新型高精度捷联式陀螺的出现，用以描 述刚体姿态运动的数学方法也有了新的发展，将以经典的欧 拉角表示法向四元素表示法发展。
1.3捷联惯导的分类

捷联式惯性导航系统根据所用陀螺仪的不同分为两类：一类 采用速率陀螺仪，如单自由度挠性陀螺仪、激光陀螺仪（见 陀螺仪）等，它们测得的是飞行器的角速度，这种系统称为 速率型捷联式惯性导航系统；另一类采用双自由度陀螺仪， 如静电陀螺仪，它测得的是飞行器的角位移，这种系统称为 位臵型捷联式惯性导航系统。通常所说的捷联式惯性导航系 统是指速率型捷联式惯性导航系统。


目前，捷联系统的精度还未达到平台系统所取得的精度水平， 还不能完全满足各种军用和民用的要求，其原因是：
a) 新型捷联用的惯性仪表，如动力调谐陀螺仪、激光陀螺仪、光纤陀螺等漂移达 到0.01°／h，石英加速度计的标度因数误差达到1×10-4之后，进一步提高仪表 精度将会遇到加工工艺、材料、光电元器件等方面技术极限的限制，进一步提高 仪表硬件精度将会更加困难，大幅度地追加投资不一定能够收到成比例的技术效 益，中的惯性仪表是直接与载体联接，飞行器的恶劣动力学环境如过载冲 击、振动以及机动飞行等都会给惯性仪表和捷联系统带来动态误差。这类误差比 较难以补偿，这也是捷联系统还没有达到平台系统精度水平的主要原因。 c) 为了充分发挥捷联惯性系统的技术优势，利用其它系统的高精度测量信息来补 偿和抑制惯性系统随工作时间延长而增长的误差，达到提高导航（制导）精度的 目的，建立以惯性系统为基础，以其它各种测量信息为辅助的组合导航系统。 惯性技术的发展表明：从传统的机械转子型陀螺向固态陀螺仪（激光、光纤和半 球谐振陀螺仪）转移并进一步向以半导体硅为基本材料的微机械振动陀螺发展； 从框架式平台系统向捷联系统转移；从纯惯性捷联系统向以惯性系统为基础的多 体制导航组合系统发展，成为今后惯性技术发展的总趋势。
（2）因为要保证大攻角下的计算精度，对计算机的速度和 容量都提出了较高的要求。
1.2 捷联惯导系统现状及发展趋势